חומרים קרמיים

חומרים קרמיים מודרניים הם סוג חדש של קרמיקה המפותחת מקרמיקה מסורתית המבוססת על קרמיקה מיוחדת ובעלת מאפיינים מובהקים השונים מקרמיקה מסורתית. זה כבר מזמן חרג מהקונספט וההיקף של קרמיקה מסורתית. זהו תוצר של טכנולוגיה גבוהה וחדשה. לכן, חומרים קרמיים הם נושא עתיק וצעיר.

החומרים הקרמיים המודרניים כביכול הם חומרים אנאורגניים שאינם מתכתיים. זוהי אחת משלוש הקטגוריות העיקריות של חומרים מודרניים לצד מתכות וחומרים אורגניים. זוהי גם הכרה כללית של כל החומרים מלבד חומרי מתכת וחומרים אורגניים. מושא הדיון בפרק זה הוא חומרים קרמיים מודרניים או חומרים אנאורגניים מודרניים שאינם מתכתיים.

לחומרים קרמיים מודרניים יש קונוטציות היי-טק. בהשוואה לחומרים מסורתיים. יש לו בעיקר את שלושת המאפיינים הבאים:

(1) מבוסס על דרישות הפיתוח המדעי והטכנולוגי המודרני. זהו תוצר של פיתוח מדע וטכנולוגיה מודרניים והוא מוצר היי-טק.

(2) תהליך הייצור מורכב ודורש הדרכה של הישגים מדעיים וטכנולוגיים מודרניים. לכן, זהו מוצר עתיר ידע טכני.

(3) יש לו מאפיינים מצוינים ומיוחדים והוא יכול לעמוד בדרישות של תעשיות מסחריות וטכנולוגיות חדשות.

סיווג חומרים קרמיים

עם התפתחות הייצור והמדע והטכנולוגיה. סוגי החומרים והמוצרים הקרמיים הולכים וגדלים מיום ליום. על מנת להקל על ההבנה של המאפיינים של חומרים או מוצרים שונים, הם בדרך כלל מסווגים מזוויות שונות.

1. סיווג לפי הרכב כימי

(1) קרמיקה אוקסיד. ישנם סוגים רבים של קרמיקה תחמוצת, אשר תופסים מקום חשוב מאוד במשפחת הקרמיקה. הקרמיקה התחמוצתית הנפוצה ביותר היא Al2O3, SiO2, MgO, ZrO3, CeO2, CaO. Cr2O3, מולליט (3Al2O3.2SiO4) וספינל (MgAl2O3) וכו'. Al2O3 ו-SiO2 בקרמיקה נמצאים בשימוש נרחב כמו סגסוגות פלדה ואלומיניום בחומרים מתכתיים. כמה קרמיקות תחמוצת מפורטות בטבלה 11.1. סיליקטים שייכים גם לסדרת התחמוצות. כגון ZrsiO4. השיחה המתינה. ישנם גם תחמוצות מרוכבות כגון BaT, CgyiO; וכו' גם נכנסים לקטגוריה זו.

חומרים קרמיים מסווגים לפי הרכב כימי

(2) קרמיקה קרביד. לקרמיקה קרביד יש בדרך כלל נקודת התכה גבוהה יותר מאשר תחמוצות. הנפוצים ביותר הם SIC, SC, Phoenix C. TIC וכו'. קרמיקה קרביד צריכה להיות בעלת הגנה מפני אווירה במהלך תהליך ההכנה.

(3) קרמיקה אמיד. הכלוריד הנפוץ ביותר הוא a-ji, בעל תכונות מכניות מקיפות מצוינות ועמידות בטמפרטורה גבוהה. בנוסף, היישומים של TZN, BN ו-AI nitride קרמיקה הופכים נפוצים יותר ויותר. C3N4, שרק הופיע לאחרונה, צפוי להיות בעל ביצועים טובים יותר מ-Si3O4.

(4) ארבע קרמיקות כימיות. היישומים של קרמיקה בוריד אינם רחבים במיוחד. הם משמשים בעיקר כתוספים עמוקים או שלבים שניים להוספת מטריצות קרמיות אחרות כדי לשפר את הביצועים. אלה הנפוצים כוללים Ti, Zr& וכו'.

2. סיווג לפי ביצועים ושימוש

(1) קרמיקה מבנית. קרמיקה מבנית משמשת כחומרי מבנה לייצור חלקי מבנה. השתמש בעיקר בתכונות המכניות שלו. חוזק משופר, קשיחות, קשיות, מודולוס, עמידות בפני שחיקה, עמידות בטמפרטורה גבוהה (חוזק בטמפרטורה גבוהה, עמידות בפני זעזועים תרמיים, עמידות אבלציה) וכו'. רוב ארבעת הקרמיקות המסווגות לפי הרכב כימי גרעיני שהוזכר לעיל הן קרמיקה מבנית. כמו אבן AjZQ. 3N4 ו-ZX הם חומרים קרמיים מבניים מייצגים עם תכונות מכניות מעולות.

(2) קרמיקה פונקציונלית. קרמיקה פונקציונלית משמשת כחומרים פונקציונליים לייצור מכשירים פונקציונליים, בעיקר תוך שימוש בתכונות הפיזיקליות שלהם כגון תכונות אלקטרומגנטיות, תכונות תרמיות, תכונות אופטיות, תכונות ביולוגיות וכו'. למשל פריט. קרמיקה פרו-אלקטרית משמשת בעיקר בשל התכונות האלקטרומגנטיות שלה. הוא משמש לייצור רכיבים אלקטרומגנטיים, קרמיקה דיאלקטרית משמשת לייצור קבלים, וקרמיקה פיזואלקטרית משמשת לייצור חיישני תזוזה או לחץ. ניתן להשתמש בקרמיקה אלקטרוליטים מוצקים לייצור גלאי חמצן תוך שימוש בתכונות העברת היונים שלהם. ביוקרמיקה משתמשים לייצור עצמות מלאכותיות ושיניים מלאכותיות. חומרים מוליכים-על וסיבים אופטיים שייכים גם הם לקטגוריה של קרמיקה פונקציונלית.

ראוי להזכיר שגם הסיווג הנ"ל הוא יחסי. במקום להיות מוחלט, לפעמים אין גבול קפדני בין קרמיקה מבנית לקרמיקה פונקציונלית. עבור כמה חומרים קרמיים, יש גם וגם. קרמיקה פיזואלקטרית. למרות שניתן לסווג אותה כקרמיקה פונקציונלית, יש לה גם דרישות מסוימות לתכונות המכניות שלה, כגון חוזק, קשיחות, קשיות ומודול אלסטי. קודם כל, הוא חייב להיות בעל חוזק מספיק כדי למנוע נזק בעת עמידה בכוח E, כך שניתן להשיג מאפיינים פיזואלקטריים משותפים. בנוסף, כגון קרמיקה מבנית בטמפרטורה גבוהה או קרמיקה תרמית עמידה בפני זעזועים ואש עבור חלקים חסיני חום של חלליות, למרות שהם שייכים לקטגוריה של קרמיקה מבנית. עם זאת, התנגדות ההתפשטות התרמית לא נקבעת רק על ידי החוזק, הקשיחות והמודלוס שלה, אלא המוליכות התרמית ומקדם ההתפשטות התרמית זהים גם לתכונות המכניות, שיש להן השפעה חשובה מאוד על עמידות ההלם התרמי. עמידות בפני קורוזיה היא ביצועים חשובים של קרמיקה כימית (כגון משאבות עמידות לחומצות), אך היא חייבת להיות בעלת תכונות מכניות מסוימות כדי לעמוד בדרישות התעשייה. קשה להפוך חומרים מוליכים-על לחוטים מכיוון שהם שומניים מאוד. לכן, הוא עדיין לא יכול להיכנס לשלב היישום המעשי. לסיכום, בין אם מדובר בקרמיקה מבנית ובין אם מדובר בקרמיקה פונקציונלית, תכונות מכניות הן התכונות הבסיסיות ביותר של חומרים קרמיים. רק שלשימושים שונים יש דרישות שונות לתכונות מכניות.

פרק זה דן בעיקר בקרמיקה מבנית.

יתרונות הקרמיקה

1. מאפייני ביצועים של חומרים קרמיים

כפי שכולנו יודעים, הקשרים הכימיים של חומרים מתכתיים (זהב טהור או סגסוגות) הם בעיקר מתכות. הם מורכבים מאטומים חיוביים של מתכת ומענני אלקטרונים הממלאים אותם. לקשרי מתכת אין כיווניות. לכן, למתכת יש תכונות דפורמציה פלסטיות טובות. באשר לקרמיקה שמתעלמת מתרכובות לא מתכתיות, התכונות הכימיות שלהן גבוהות מהקשרים הבריאותיים והקוולנטיים. לכימיה זו יש כיווניות חזקה ואנרגיית קשירה גבוהה. לכן, קשה לחומרים קרמיים לעבור דפורמציה פלסטית. שבירות גבוהה ורגישות חזקה לסדקים. זהו עקב אכילס של חומרים קרמיים. אבל בדיוק בגלל סוג הקשר הכימי הזה יש לקרמיקה מבנית סדרה של תכונות מיוחדות עדיפות על חומרים מתכתיים.

① קשיות גבוהה קובעת את עמידות הבלאי המעולה שלו;

②נקודת להבה גבוהה. נחוש שיש לו עמידות בחום יוצאת דופן;

③יציבות כימית גבוהה. זה קובע שיש לו עמידות טובה בפני קורוזיה.

למרות שלחומרים קרמיים יש יתרונות מצוינים כל כך. עם זאת, החיסרון הקטלני שלו - שבירותו - מגביל את הביצועים והיישומים המעשיים שלו. לכן, הקשוחה של קרמיקה הפכה לנושא ליבה בתחום חקר החומרים הקרמיים המושך תשומת לב עולמית (ראה סעיף הקשחת קרמיקה לפרטים).

2. השוואה בין קרמיקה מודרנית (מתקדמת) לקרמיקה מסורתית

קרמיקה מודרנית בהשוואה לקרמיקה מסורתית. ישנם הבדלים משמעותיים בהרכב חומרי הגלם, תהליך ההכנה, המבנה הארגוני והביצועים.

ניגוד בין קרמיקה מסורתית לקרמיקה מודרנית